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Physik: Ver?ffentlichung in Nature Physics
Mit schwingenden MolekĘ╣len die Welleneigenschaften von Materie Ę╣berprĘ╣fen

Die Arbeitsgruppe um Prof. Stephan Schiller Ph.D. von der Heinrich-Heine-Universit?t DĘ╣sseldorf (HHU) hat mit einem neuartigen, hochpr?zisen laser-spektroskopischen Experiment die innere Schwingung des einfachsten MolekĘ╣ls vermessen. Den Wellencharakter der Bewegung von Atomkernen konnten sie dabei mit bisher unerreichter Genauigkeit Ę╣berprĘ╣fen. Ihre Ergebnisse stellen sie in der aktuellen Ausgabe von Nature Physics vor.

Schematischer Aufbau einer MolekĘ╣lfalle, in der HD+-MolekĘ╣lionen gefangen und mit Licht angeregt werden. Zoom

HD+-MolekĘ╣lionen (gelb-rote Punktpaare) in einer Ionenfalle (grau) werden durch eine Laserwelle (rot) bestrahlt. Dies bewirkt QuantensprĘ╣nge, wobei sich der Schwingungszustand der MolekĘ╣lionen ?ndert. (Abbildung: HHU / Soroosh Alighanbari)

Vor nahezu 100 Jahren fand in der Physik eine revolution?re Entdeckung statt: Mikroskopische Materie weist Eigenschaften von Wellen auf. Im Laufe der Jahrzehnte wurde mit immer pr?ziseren Experimenten insbesondere die Welleneigenschaft des Elektrons vermessen. Dazu wurde vor allem die spektroskopische Untersuchung des Wasserstoffatoms herangezogen. So konnte Ę╣berprĘ╣ft werden, wie genau die Quantentheorie des Elektrons stimmt.

FĘ╣r schwere Elementarteilchen – zum Beispiel Protonen – und Nuklide (Atomkerne) ist eine genaue Vermessung ihrer Welleneigenschaften schwierig. Im Prinzip sind diese allerdings allgegenw?rtig: In MolekĘ╣len sind die Welleneigenschaften von Atomkernen offensichtlich realisiert, und zwar in den inneren Schwingungen der Atomkerne gegeneinander. Dies erm?glichen die Elektronen in MolekĘ╣len, die eine Bindung zwischen den Kernen verursachen, die aber nicht starr, sondern „weich“ ist. Kernschwingungen treten zum Beispiel in jedem MolekĘ╣lgas unter Normalbedingungen auf, wie in Luft.

Die Welleneigenschaften der Kerne ?u?ern sich, indem die Schwingung nicht eine beliebige St?rke – sprich Energie – aufweisen kann, wie es etwa bei einem Pendel der Fall w?re. Vielmehr sind nur pr?zise diskrete, sogenannte quantisierte Werte fĘ╣r die Energie m?glich.

Ein Quantensprung vom Schwingungszustand geringster Energie zu einem Zustand gr??erer Energie kann erfolgen, indem auf das MolekĘ╣l Licht eingestrahlt wird, dessen Wellenl?nge pr?zise so eingestellt ist, dass sie genau dem Energieunterschied zwischen beiden Zust?nden entspricht.

M?chte man die Welleneigenschaften der Nuklide sehr genau Ę╣berprĘ╣fen, ben?tigt man sowohl eine sehr pr?zise Messmethode als auch eine sehr genaue Kenntnis der Bindungskr?fte im konkreten MolekĘ╣l, denn diese bestimmen die Details der Wellenbewegung der Nuklide. Hiermit wird es dann auch m?glich, fundamentale Naturgesetze zu testen, indem man ihre konkreten Aussagen fĘ╣r das untersuchte Nuklid mit den Messergebnissen vergleicht.

Eine Herausforderung: Es ist es heute noch nicht m?glich, fĘ╣r die Bindungskr?fte von MolekĘ╣len im Allgemeinen pr?zise theoretische Vorhersagen zu treffen – die anzuwendende Quantentheorie ist mathematisch zu komplex. Daher ist eine pr?zise ?berprĘ╣fung der Welleneigenschaften in einem beliebigen MolekĘ╣l nicht m?glich. Nur bei besonders einfachen MolekĘ╣len kann dies gelingen.

Genau einem solchen MolekĘ╣l – dem WasserstoffmolekĘ╣lion HD+ – widmet sich Prof. Schillers Forschungsteam am Institut fĘ╣r Experimentalphysik der HHU, zusammen mit seinem langj?hrigen Kooperationspartner V. I. Korobov vom Bogoliubov Laboratory of Theoretical Physics am Joint Institute for Nuclear Research im russischen Dubna. HD+ besteht aus einem Proton (p) und dem Nuklid Deuteron (d). Beide sind durch ein einziges Elektron aneinandergebunden. Die relative Einfachheit dieses MolekĘ╣ls erlaubt es mittlerweile, extrem genaue theoretische Rechnungen durchzufĘ╣hren. Dies gelang V.I. Korobov, der Ę╣ber zwanzig Jahre lang seine Rechnungen kontinuierlich verbesserte.

FĘ╣r geladene MolekĘ╣le, etwa das WasserstoffmolekĘ╣lion, fehlte bis vor kurzem eine zug?ngliche und gleichzeitig hochpr?zise Messtechnik. Das Team um Prof. Schiller hatte aber im letzten Jahr eine neuartige Spektroskopietechnik fĘ╣r die Untersuchung der Rotation von MolekĘ╣lionen entwickelt. Dabei wurde sogenannte Terahertz-Strahlung eingesetzt, mit einer Wellenl?nge von etwa 0,2 mm.

Das Team konnte nun zeigen, dass derselbe Ansatz auch fĘ╣r die Anregung von MolekĘ╣lschwingungen mittels Strahlung mit 50-fach kĘ╣rzerer Wellenl?nge funktioniert. DafĘ╣r mussten sie einen besonders frequenzscharfen Laser entwickeln, der weltweit einmalig ist.

Sie wiesen nach, dass die erweiterte Spektroskopietechnik ein Aufl?sungsverm?gen fĘ╣r die Strahlungswellenl?nge fĘ╣r Schwingungsanregung besitzt, das 10.000-mal h?her ist als bei bisherigen Techniken fĘ╣r MolekĘ╣lionen. Auch systematische St?rungen der Schwingungszust?nde der MolekĘ╣lionen, etwa durch elektrische und magnetische St?rfelder, konnten um den Faktor 400 unterdrĘ╣ckt werden.

Letztendlich zeigte sich, dass die Vorhersage der Quantentheorie bezĘ╣glich des Verhaltens der Atomkerne Proton und Deuteron mit einer relativen Ungenauigkeit von weniger als 3 Teilen auf 100 Milliarden Teilen mit dem Experiment Ę╣bereinstimmt.

Setzt man allerdings voraus, dass die von V.I. Korobov get?tigte Vorhersage auf der Basis der Quantentheorie vollst?ndig ist, so kann man das Ergebnis des Experiments anders deuten: Als Bestimmung des Verh?ltnisses von Elektronenmasse zur Protonenmasse. Der abgeleitete Wert stimmt sehr gut mit den Werten Ę╣berein, den Experimente anderer Arbeitsgruppen mit ganz anderen Messtechniken ermittelten.

Prof. Schiller betont: „Wir waren Ę╣berrascht, wie gut das Experiment funktioniert hat. Und wir glauben, dass die von uns entwickelte Technik nicht nur fĘ╣r unser „spezielles“ MolekĘ╣l einsetzbar ist, sondern viel breiter. Es wird spannend sein zu sehen, wie schnell die Technik von anderen Arbeitsgruppen Ę╣bernommen werden wird.“

Originalpublikation

I. V. Kortunov, S. Alighanbari, M. G. Hansen, G. S. Giri, V. I. Korobov & S. Schiller, Proton-electron mass ratio by high-resolution optical spectroscopy of ion ensembles in the resolved-carrier regime, Nature Physics 2021

DOI: 10.1038/s41567-020-01150-7

Autor/in:
Kategorie/n: Schlagzeilen, Pressemeldungen, Forschung News
Foto einer MolekĘ╣lionenfalle Zoom

Eine Apparatur zur Speicherung von MolekĘ╣lionen. (Foto: HHU / David Offenberg)

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